링 일곱 개. 링 1은 실제 LHC이고, 링 2는 CERN의 실제 연구를 따르며, 링 3부터는 미래 허구예요.
확장에는 힉스 보손이 들어요. 데이터, 업그레이드, 입자 재고는 초기화되지만 도감과 신화 입자는 남고, 영구 수익이 링마다 ×1.6씩 오르고, 에너지 상한이 올라가고, 새 링의 입자가 명단에 더해져요. 링마다 새 메커니즘이 정확히 하나씩 생겨요.
쿼크 교수
“새 메커니즘: 확장 후 광도가 레벨 1에서 시작해서, 빔이 곧바로 저절로 충돌해요. 확장하면 데이터와 업그레이드가 초기화돼요. 도감과 신화 입자는 남고, 수익은 영구히 ×1.6이 돼요.”
새 링은 0에서 시작하지 않아요. 이전 링이 완성된 채 멈춘 전단 가속기로 안쪽에 남아, 새 링에서 보통 도달하는 에너지의 약 15분의 1로 빔을 입사해요. 실제로 SPS(450 GeV)가 LHC(7 TeV)에 빔을 공급하는 것과 같아요. 그 뒤로는 빔 레벨을 올릴 때마다 새 링이 더 지어져요.
큰 가속기는 0에서 시작하지 않아요. 더 작은 링이 먼저 빔을 입사 에너지까지 올려 줘요. SPS는 450 GeV의 양성자를 LHC에 공급하고, LHC는 그것을 7 TeV까지, 약 15배로 끌어올려요. FCC라면 LHC가 약 3.3 TeV의 전단 가속기가 되고, 새 링은 약 50 TeV까지 가요. SPS는 LHC 원 안쪽, Meyrin 쪽 가장자리에 있고, 짧은 전송선 두 개(TI 2와 TI 8)가 LHC의 두 빔을 접선 방향으로, 서로 반대 방향으로 넣어 줘요. FCC 계획에서도 LHC는 같은 방식으로 91 km 링의 가장자리에 놓여요.
쿼크 교수
“이전 링(LHC 링)은 이제 전단 가속기예요. CERN에서 SPS가 LHC에 450 GeV로 빔을 공급하는 것과 같아요. 그래서 빔의 시작 에너지는 375.8 GeV, 이 링이 낼 수 있는 에너지의 약 15분의 1이에요. 새 링은 빔 레벨을 올릴 때마다 눈에 보이게 더 지어져요.”
1
가속 사슬의 시작에서 Linac 4가 음수소 이온을 160 MeV까지 가속해요. 부스터에 주입될 때 전자가 벗겨지고 양성자만 남아요. 직선 구간에는 편향 자석이 필요 없어서 싱크로트론 복사가 나오지 않아요.
2
부스터는 둘레 157 m의 링 네 개를 위아래로 쌓은 구조예요. 양성자를 2 GeV까지 올리고, 다음 싱크로트론을 채울 수 있도록 다발을 모아요.
3
PS는 1959년에 가동을 시작했어요: 둘레 628 m, 양성자 최대 26 GeV, 지금도 CERN의 분배 허브예요. LHC가 나중에 필요로 하는 25 ns 간격으로 다발을 만들어요.
4
SPS는 둘레가 약 7 km이고, 양성자를 450 GeV까지 가속한 뒤 LHC로 보내요. 1983년 양성자-반양성자 충돌기로 운전하면서 W 보손과 Z 보손을 발견했어요. 전송선 두 개가 빔을 접선 방향으로 주 링에 넣어요.
충돌 지점 둘레의 검출기는 껍질로 지어져요. 하위 검출기 레벨마다 눈에 보이는 물질이 더해져요. 안쪽의 버텍스 층부터 바깥쪽의 뮤온 챔버까지요.
중심에는 초고진공(약 10⁻¹⁰ mbar)의 빔 파이프가 지나가서 양성자가 기체 원자에 산란되지 않아요. 검출기 부분은 입자를 거의 감속시키지 않는 베릴륨으로 만들어요. 여기서 반대 방향으로 도는 다발이 교차하고, 실제로 충돌하는 양성자는 일부뿐이에요.
모든 충돌이 여기서 일어나요. 빔 에너지가 어떤 입자가 생길 수 있는지 결정해요.
실리콘 픽셀로 된 가장 안쪽 층은 충돌점에서 겨우 몇 센티미터 떨어져 있어요. 궤적을 몇 마이크로미터 정밀도로 측정하고 궤적이 어디서 시작됐는지 찾아요. B 강입자나 타우 같은 입자는 붕괴 전에 1밀리미터 미만에서 수 밀리미터까지 날아가요 – 떨어진 2차 버텍스가 정체를 드러내요.
붕괴 지점이 떨어진 입자를 강화해요: τ, J/ψ, B 강입자, 톱, LQ, N.
실리콘 스트립과 픽셀이 대전 입자의 비행 경로를 여러 지점에서 측정해요. 자기장(CMS 3.8 T, ATLAS 2 T)이 경로를 휘게 해요: 반지름에서 운동량이 나오고, p ≈ 0.3 · B · r(p는 GeV/c, B는 테슬라, r은 미터 단위), 휜 방향에서 전하의 부호가 나와요. 중성 입자는 궤적을 남기지 않아요.
궤적을 남기는 대전 입자를 강화해요: π, K, p, W, 무거운 대전 입자.
초전도 코일이 빔 축과 나란한 자기장을 만들어요(CMS 3.8 T, ATLAS 2 T). 그 안에서 대전 입자는 원호를 그리며 움직여요: 운동량이 클수록 경로가 곧아요. 액체 헬륨으로 약 4.5 K까지 냉각해요.
코일은 자기장 업그레이드와 함께 커져요. 이 업그레이드는 링의 쌍극자 자석도 강화해요.
전자와 광자는 밀도 높은 물질 속에서 전자, 양전자, 광자로 된 샤워를 일으키고, 모든 에너지가 흡수돼 측정될 때까지 이어져요(ATLAS: 납과 액체 아르곤, CMS: 텅스텐산 납 결정). 힉스 보손도 2012년에 광자 두 개로 붕괴하는 과정을 통해 발견됐어요.
전자, 광자, 힉스, 그리고 여기에 에너지를 남기는 다른 입자를 강화해요.
파이온, 양성자, 중성자 같은 강입자는 강한 상호작용을 통해 강철이나 황동(각각 ATLAS, CMS) 속에서 캐스케이드를 일으켜요. 그래서 열량계는 제트 전체의 에너지를 측정해요. 중성미자와 뮤온은 거의 보이지 않게 통과해요.
“열량계” 업그레이드의 일부: 강입자 층은 레벨 3부터.
뮤온은 전자보다 약 200배 무겁고, 복사를 거의 하지 않아서 앞에 있는 모든 걸 뚫고 지나가요. 그래서 드리프트 튜브와 챔버가 가장 바깥에 있어요: 거기서도 신호를 내는 건 거의 언제나 뮤온이에요. 덕분에 Z → μμ 같은 붕괴는 특히 깨끗하게 알아볼 수 있어요.
뮤온, Z, Z′, A′를 강화해요. 레벨이 오르면 바깥쪽 스테이션이 추가돼요 – 검출기가 커져요.
ATLAS에는 빔 축 둘레에 커다란 토로이드 코일 여덟 개가 있어요. 뮤온 시스템에 고리 모양의 두 번째 자기장을 만들어 뮤온을 한 번 더 휘게 해요 – 그래서 운동량을 트래커와 독립적으로 측정해요. 그 결과 검출기는 높이 약 25 m, 길이 약 44 m예요.
코일 여덟 개는 뮤온 챔버 레벨 4에서 나타나요.
링 1 · 둘레 27 km
LHC는 스위스와 프랑스 국경 지대의 지하 50~175 m에 있어요. 북서쪽엔 쥐라 산맥, 남동쪽엔 알프스, 그리고 레만 호가 있어요. 26.7 km 터널은 원래 1989년에 가동한 전자-양전자 링 LEP를 위해 판 거예요.
링 1은 둘레 27 km, 에너지 상한 20 TeV의 LHC 링이에요. FCC 링으로의 확장은 링 탭에 있어요.
CERN 부지. CERN은 1954년에 설립된 세계 최대의 입자물리학 연구소예요. 부지에는 대형 실험(ATLAS, CMS, ALICE, LHCb)의 실험 홀이 있고, 그 검출기들이 링의 네 지점에서 빔을 둘러싸요.
링 2 · 둘레 91 km
FCC는 CERN이 검토 중인 약 91 km 링 터널 계획이에요: 처음엔 전자-양전자 충돌기(FCC-ee, 힉스·Z 공장)로, 나중엔 양성자용(FCC-hh, 질량중심 에너지 약 85~100 TeV)으로 쓸 예정이에요. 아직 승인되지 않았어요.
링 2: 이제 호수가 링 안에 있고, 에너지 상한이 100 TeV로 오르며, 광도는 레벨 1에서 시작해요.
링 3 · 둘레 3,000 km
미래 허구 · 허구는 링뿐, 천체는 실제
자석 세기가 같으면 도달 가능한 에너지는 반지름에 비례해 커져요(E ≈ 0.3 · B · r). 둘레가 91 km가 아니라 3,000 km인 링이라면 같은 자석으로 FCC의 서른 배가 넘는 에너지, 즉 몇 PeV에 이를 거예요. 이런 걸 짓는 곳은 어디에도 없어요.
링 3: 이중 빔 – 10번째 충돌마다 두 번으로 계산돼요. 이 링은 미래 허구예요.
링 4 · 둘레 40,000 km
미래 허구 · 허구는 링뿐, 천체는 실제
1954년 엔리코 페르미는 2 T 자석으로 지구를 두른 가속기 링이 양성자를 약 5,000 TeV까지 가속할 수 있다고 계산했어요 – 계획이 아닌 사고 실험이었죠. 비교하자면, 가장 에너지가 높은 우주 방사선은 10²⁰ eV가 넘어서 LHC의 수백만 배예요.
링 4는 지구를 감싸고(40,000 km), 링 5는 달 궤도로 지구를 돌며, 링 6부터 지구는 링 위의 점이에요. 이 링들은 미래 허구예요.
링 5 · 둘레 240만 km
미래 허구 · 허구는 링뿐, 천체는 실제
달은 약 384,000 km 거리에서 지구를 돌고, 한 바퀴에 27일 남짓 걸려요. 늘 같은 면만 보여 주고(동주기 자전) 밀물과 썰물을 일으켜요. 달 궤도 위의 링이라면 둘레가 약 240만 km예요.
링 5: 이상 현상 이벤트 – 탭하면 시간 부스트나 대량 드롭. 이 링은 미래 허구예요.
링 6 · 둘레 9억 4,000만 km
미래 허구 · 허구는 링뿐, 천체는 실제
태양은 핵융합로예요: 중심부에서 약 1,500만 K로 수소가 헬륨으로 융합해요. 태양풍(초속 약 400 km의 양성자)과 중성미자를 내보내는데, 지구의 1제곱센티미터마다 초당 약 6 · 10¹⁰개가 도달하고, 거의 모두가 그대로 통과해요.
링 6: 두 번째 검출기 – 한 바퀴에 교차 두 번, 박자가 절반으로 줄어요. 이 링은 미래 허구예요.
링 7 · 태양계 너머
미래 허구 · 허구는 링뿐, 천체는 실제
태양풍은 태양 주위의 성간 가스 속에 거품을 불어 만들어요. 약 85~95 AU 떨어진 말단 충격파에서 태양풍이 느려지고, 약 120 AU의 태양권계면이 성간 공간과의 경계를 이뤄요. 보이저 1호는 2012년에 이를 통과했고, 이 거품은 우주 방사선 일부를 막아 줘요.
링 7: 질량 있는 모든 입자를 튜닝으로 공명에 맞출 수 있어요. 이 링은 미래 허구예요.
쌍극자 자석은 입자를 원형 궤도에 붙잡아 둬요: 로렌츠 힘이 입자를 휘게 하고, p ≈ 0.3 · B · r이 성립해요. 에너지가 높으면 더 강한 자기장이나 더 큰 링이 필요해요. LHC에는 길이 약 15 m의 초전도 쌍극자 자석 1,232개가 있어서, 1.9 K에서 8.3 T를 만들어 7 TeV 양성자를 둘레 27 km 궤도에 붙잡아 둬요.
“자기장” 업그레이드가 쌍극자 자석을 강화하고 구리 코일을 감아요. 빔 레벨 10마다 링 전체가 새 시대를 맞아요.
고주파(RF) 공동 안에서는 전기장이 다발의 박자에 맞춰 진동해요: 한 바퀴 돌 때마다 다발을 조금씩 가속하고 다발 형태로 묶어 둬요. LHC에는 빔마다 400 MHz 초전도 공동이 여덟 개 있고, 각각 약 2 MV, 빔당 합계 16 MV예요.
빔 에너지 6레벨마다 RF 모듈이 하나씩 추가돼요(최대 10개).
사중극자 자석은 렌즈처럼 작동해요: 한 평면에서는 빔을 모으고 다른 평면에서는 퍼뜨려요 – 번갈아 배치하면 전체적으로 빔이 모여요. 검출기 앞의 삼중항(triplet)이 빔을 약 17 µm까지 조여요. 단면이 작을수록 충돌이 많아져요.
“빔 집속” 2레벨마다 검출기 양쪽에 삼중항이 하나씩 추가돼요(최대 6개). 집속은 적중 창도 넓혀 줘요.
초전도 자석은 임계 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라져요. LHC는 액체 헬륨 약 100톤으로 자석을 1.9 K까지 냉각해요 – 텅 빈 우주(2.7 K)보다 차갑고, 세계 최대의 극저온 설비예요.
“크라이오스탯” 레벨마다 탱크가 하나씩 추가되고(최대 10개) 오프라인 가동 시간이 늘어나요.
액체 헬륨은 자석을 따라 놓인 배관 속을 순환해요. 2.17 K 아래에서 헬륨은 초유체가 돼요: 열을 매우 잘 전달하고 점성이 사실상 없어요 – 자석 냉각제로 딱이에요.
배관은 “크라이오스탯” 업그레이드 레벨 2부터 나타나요.
양성자는 고른 흐름이 아니라 다발로 움직여요. LHC는 빔마다 최대 2,808개의 다발을 담고, 다발마다 양성자가 약 10¹¹개, 간격은 25 ns예요. 두 빔은 분리된 파이프에서 반대 방향으로 돌고 검출기에서만 교차해요 – 교차할 때마다 수십 건의 충돌이 일어나요.
교차 박자에 맞춰 발사해요(적중 창). “광도” 업그레이드는 초당 충돌 수를 늘리고 자동화를 해제해요.
원형 궤도를 도는 대전 입자는 접선 방향으로 빛을 내요. 복사 출력은 E⁴ / (m⁴ · r²)에 비례해 커져요: 같은 에너지라면 전자는 양성자보다 약 10¹³배 더 많이 잃어요. 그래서 LHC는 양성자를 쓰고, 전자 링 LEP(104.5 GeV)에서는 복사가 한계였어요.
빛의 부채꼴은 빔 레벨과 함께 커져요: 에너지가 높을수록 빛이 더 밝아지고 파장은 더 짧아져요.
